Entropielehre Wärmelehre-Unterricht in Klasse 9 / 10 mit der mengenartigen Größe Entropie

Transkript

1 Entropielehre Wärmelehre-Unterricht in Klasse 9 / 10 mit der mengenartigen Größe Entropie Entropy could be introduced in a way which every schoolboy could understand. Callendar, 1911

2 Temperatur (in C) Wärme (Alltagssprache ) = Entropie in der Fachsprache Wärme (Alltagssprache) wird auf die beiden Bechergläser verteilt 2

3 Je höher die Temperatur eines Gegenstandes ist, desto mehr Entropie enthält er. Je größer die Masse eines Gegenstandes ist, desto mehr Entropie enthält er. Jetzt noch nicht entscheidbar 3

4 Je höher die Temperatur eines Gegenstandes ist, desto mehr Entropie enthält er. Ein Reifen enthält umso mehr Luft Je größer der Körper ist. Je höher der Druck in dem Reifen Je größer die Masse eines Gegenstandes ist, desto mehr Entropie enthält er. Ein Körper enthält umso mehr Entropie Je größer der Körper ist. Jetzt noch nicht Je entscheidbar höher die Temperatur des Körpers ist 4

5 Ein Behälter enthält um so mehr Luft je größer er ist; je höher der Druck ist. Ein Körper enthält um so mehr elektrische Ladung je größer er ist; je höher sein elektrisches Potenzial ist. Ein Behälter enthält um so mehr Impuls je größer seine Masse ist; je höher seine Geschwindigkeit ist. Ein Behälter enthält um so mehr Entropie je größer er ist; je höher seine Temperatur ist. 5

6 Name der Größe Abkürzung d. Gr. Einheit Abkürzung d. E. Energie E Joule J Entropie S Carnot Ct 1 cm³ Wasser von Normaltemperatur enthält etwa 4 Ct. 6

7 Entropie strömt von selbst von Stellen höherer zu Stellen niedrigerer Temperatur. Ein Temperaturunterschied ist ein Antrieb für einen Entropiestrom. Den Zustand der Temperaturgleichheit, der sich am Ende einstellt, nennt man thermisches Gleichgewicht. 7

8 Luft fließt von selbst von Stellen höheren zu Stellen niedrigeren Drucks. Elektrische Ladung fließt von selbst von Stellen höheren zu Stellen niedrigen Potenzials. Impuls fließt von selbst von Körpern höherer zu Körpern niedrigerer Geschwindigkeit. Entropie fließt von selbst von Körpern höherer zu Körpern niedrigerer Temperatur. 8

9 Die Atmosphäre nimmt Luft auf, ohne dass sich ihr Druck ändert. Die Erde nimmt Elektrizität auf, ohne dass sich ihr Potenzial ändert. Die Erde nimmt Impuls auf, ohne dass sich ihre Geschwindigkeit ändert. Die Umgebung nimmt Entropie auf, ohne dass sich ihre Temperatur ändert. 9

10 Um Luft vom niedrigen zum hohen Druck zu bringen, braucht man eine Luftpumpe. Um elektrische Ladung vom niedrigen zum hohen Potenzial zu bringen, braucht man eine Ladungspumpe (Batterie, Generator). Um Impuls von niedriger zu hoher Geschwindigkeit zu bringen, braucht man eine Impulspumpe (Motor). Um Entropie von niedriger zu hoher Temperatur zu bringen, braucht man eine Entropiepumpe (Wärmepumpe). 10

11 Kühlschrank Heizung Heizung und Kühlung 11

12 Die tiefste Temperatur, die ein Gegenstand haben kann, ist -273,15 C. Bei dieser Temperatur enthält er keine Entropie mehr: Bei J = -273,15 o C ist S = 0 Ct. Der Nullpunkt der absoluten Temperaturskala liegt bei -273,15 o C. Die Maßeinheit der absoluten Temperatur ist das Kelvin. Name der Größe Abkürzung d. Gr. Einheit Energie E Joule J Entropie S Carnot Ct Absolute Temperatur T Kelvin K Abkürzung d. E. 12

13 Temperatur als Funktion der Entropie für 100 g Kupfer Kompetenz: Einfache Schaubilder interpretieren können 13

14 Entropie wird erzeugt 1. bei chemischen Reaktionen (z.b. Verbrennen) 2. durch mechanische Reibung 3. in einem Draht, durch den Elektrizität fließt. Entropie kann erzeugt aber nicht vernichtet werden 14

15 Entropie wird erzeugt 1. bei chemischen Reaktionen (z.b. Verbrennen) 2. bei mechanischer Reibung 3. in einem Draht, durch den Elektrizität fließt. 4. wenn Entropie durch einen Wärmewiderstand fließt. Vorgänge, bei denen Entropie erzeugt wird, sind nicht umkehrbar. Entropie fließt von einem Raum höherer Temperatur durch eine Mauer in die Umgebung mit niedrigerer Temperatur 15

16 Welches Material? 16

17 17

18 Stromstärke hängt ab von Druckunterschied Widerstand hängt ab von Querschnitt Länge 18

19 el. Stromstärke hängt ab von Potenzialunterschied el. Widerstand hängt ab von Querschnitt Länge 19

20 Entropiestromstärke hängt ab von Temperaturunterschied therm. Widerstand hängt ab von Querschnitt Länge 20

21 Warum fühlt sich kalt an? Warum fühlt sich warm an? 21

22 Entropietransport durch Konvektion 22

23 Hauptmann e.a. Strom kommt an! - Das "Strom-Antrieb- Widerstands-Konzept" und die Bildungsstandards H. Hauptmann, M. Rutz-Lewandowski, H.-G. Schneider, Pädagogisches Zentrum Rheinland- Pfalz, Bad Kreuznach 2008 F. Herrmann KPK in SI, Aulis-Verlag 23